Ora abbiamo un quadro più chiaro della danza molecolare fulminea che si verifica all'interno della membrana che racchiude ogni cellula del nostro corpo, rivelato in parte da fasci di neutroni presso il National Institute of Standards and Technology (NIST). I risultati possono avere applicazioni nello sviluppo di farmaci, e affrontano anche misteri fondamentali di vecchia data sul motivo per cui le membrane cellulari si muovono come fanno.

La ricerca, pubblicato oggi in Lettere di revisione fisica , fornisce nuove informazioni su come i movimenti delle singole molecole lipidiche che formano la membrana influenzino le sue proprietà complessive, in particolare la sua viscosità, o resistenza al flusso. Comprendere queste proprietà è importante perché la membrana, il confine tra la cellula e l'ambiente circostante, contiene la chiave per accedere al suo interno.

"Abbiamo scoperto la scala temporale in cui si muovono le molecole lipidiche, e lo abbiamo collegato con la viscosità della membrana, " disse Michihiro Nagao, uno scienziato del NIST e dell'Università del Maryland che ha svolto il lavoro con i suoi colleghi del NIST Center for Neutron Research (NCNR). "Abbiamo prove della provenienza della viscosità, e dimostriamo anche che i nostri strumenti possono studiarlo. Non avevamo una tecnica efficace per esplorarlo prima, quindi è un progresso importante".

Mentre la membrana è una barriera nominalmente solida tra la cellula e l'ambiente circostante, le molecole lipidiche grasse che lo compongono abbracciano alternativamente, planano e si ripartono continuamente, facendo agire la membrana più come un appiccicoso, fluido viscoso come miele o olio. Sospese nella membrana ci sono proteine ​​di membrana e canali di trasporto che funzionano come gateway per l'interno della cellula. Fino a poco tempo fa, anche se, era difficile studiare efficacemente le molecole lipidiche perché si muovono così velocemente che la loro danza era difficile da seguire.

"Cercare di capire come funzionano i canali proteici senza considerare la membrana è come cercare di capire un pesce senza considerare l'acqua, "Ha detto Elizabeth Kelley del NIST. "Volevamo una migliore percezione di come si muovono i lipidi".

La visualizzazione di questi movimenti è ora possibile sondandoli con neutroni presso l'NCNR e raggi X dal sincrotrone SPring-8 del Giappone. Gli scienziati delle due strutture hanno collaborato per ottenere i risultati. Per prima cosa hanno creato una membrana modello di molecole lipidiche, ciascuno dei quali ha una testa bulbosa che forma le superfici esterne della membrana e due code che ne formano l'interno. I lipidi erano essenzialmente identici a quelli delle membrane cellulari naturali, con l'eccezione che tutti gli atomi di idrogeno sono stati sostituiti da deuterio, che appare più chiaramente nelle scansioni di neutroni.

Una membrana, che è spessa solo due molecole, è essenzialmente un foglio di olio bidimensionale, rendendo difficile la ricerca della sua viscosità mentre si muove. Sebbene sia più facile ricercare gli oli 3D, i tentativi passati di stimare la viscosità delle membrane lipidiche 2D dalla viscosità del corrispondente olio 3D non hanno funzionato bene. Le nuove scoperte indicano che l'imballaggio dei lipidi in una membrana rallenta i loro movimenti e aumenta le interazioni tra le molecole, portando a una viscosità maggiore di quella che avrebbe un fluido 3D.

I fasci di neutroni hanno aiutato il team a esplorare due tipi di movimento molecolare che si riferiscono alla viscosità della membrana. Un tipo riguardava il movimento delle code nella membrana del modello. le code, che sono strettamente confezionati in uno strato ancora più sottile tra le teste dei lipidi, muoviti molto velocemente, tremando una volta ogni 10 picosecondi, o trilionesimi di secondo. Sebbene questi movimenti siano incredibilmente veloci, sono in realtà un ordine di grandezza più lenti di quanto gli scienziati abbiano previsto dai movimenti in un olio liquido 3D, suggerendo che la struttura della membrana 2D e le interazioni tra i lipidi sono fondamentali per determinarne la viscosità.

L'altro tipo riguardava il movimento delle molecole lipidiche complete mentre danzavano l'una intorno all'altra all'interno della membrana. Le molecole, si scopre, si muovono circa 10 volte più lentamente delle loro code. L'attrito sperimentato dalle molecole, combinato con l'attrito tra le loro code, produce una misura della viscosità che cade nel mezzo dell'intervallo delle stime di viscosità indicate dai precedenti sforzi di ricerca, suggerendo che le misurazioni tengono conto di tutti i fattori che contribuiscono alla viscosità.

"È una combinazione di fonti di attrito sulle molecole che crea la viscosità della membrana, " Disse Nagao. "Devi considerare che le code si mettono in contatto l'una con l'altra, le molecole piene che si sfregano l'una contro l'altra e alcuni altri fattori come le teste che interagiscono con l'acqua che li circonda. Ma se metti insieme tutte le fonti, si ottiene una misurazione della viscosità che si accorda bene con le stime precedenti."

Gran parte dei dati sperimentali sono stati ottenuti utilizzando lo spettrometro a eco di spin di neutroni, uno dei cinque strumenti CHRNS parzialmente finanziati dalla National Science Foundation per aiutare a esplorare i materiali. I movimenti su scala molecolare che ha rivelato sono relativamente facili da studiare utilizzando tecniche di simulazione al computer, il che significa che la conoscenza fondamentale fornita dall'esperimento potrebbe aiutare a migliorare questi calcoli e quindi aiutare la scoperta di farmaci.

"Misurare la viscosità ci aiuta a capire quanto velocemente le cose si muovono nella membrana e quanto tempo ci vuole per aprire la cellula, " ha detto Kelley. "Questo tipo di intuizioni può aiutarci a progettare farmaci che ne traggano vantaggio".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione del NIST. Leggi la storia originale qui.